客观日本

神经回路的构造和机能研究的现状及展望

2012年04月04日 科技交流

人类的大脑是数百亿个神经细胞在被称为神经键的结合部位传递信号来形成的信息处理的网络。因此,研究大脑的神经回路也就是理解信息处理的机制问题。但是,研究的出路并不只在于知晓脑的机能,还可以用来制作模仿人脑的新型计算机和机器人这样的工程学上的应用,还有可以理解精神神经疾病的机理进一步用于治疗,此外还可以用于对大脑和脊髓损伤进行更加有效的康复训练的治疗方法的开发等,这些作为社会需求很高的领域而受到关注并期待在多领域的展开。

20世纪50年代开始,调查神经回路的构造和机能就作为脑神经科学的中心课题,展开了大量研究。研究的主要做法是解剖学的手法和电气生理学的手法。主要通过调查与脑脱离的各个部分之间是如何关联的,然后这一神经回路受到损害的话会产生什么样的症状来推断某一神经回路的机能。但是,这种关于宏观的神经网络的研究在20世纪80年代势头衰落。取而代之出现的一种是通过分子生物学的研究方法来搞清楚神经细胞膜的离子通道等构成神经系统的素子的构造和机能的研究。一方面,通过觉醒动物中的单一神经细胞活动的记录,来弄清楚与高层次的认知机能相关的信息表达的研究。另外,为了认定与人的精神活动有关的脑的部位,而使用的机能性的MRI等的非侵袭性的脑机能印象法这样的认知神经科学研究。这么多年来,很多研究者又重新认为“从此就是神经回路研究的时代了”。其中的一个原因是,从分子神经生物学的立场来看,积累了大量关于构成脑的基本元件的知识,为了搞清各种活体中的机能,制作了缺损基因的动物(主要是鼠),对其进行行动分析。然而,即使在某种程度上搞清了分子与行动之间的关系,对于它们的中间层即“神经回路”层面的理解也还是不能进展的话,就不能说搞清了脑的机能,这是能切实地感受到的。此外,从认知神经科学的立场来看,在单一细胞活动中,即使发现了表达很有意思的信息的神经元,或者即使看到利用机能性MRI得到的脑机能的画像数据,那么这些又是经过怎样的过程生成的?还有又是怎样在之后经过处理被用于认知和行动的?这些都是必须作为基础来理解神经回路的。这样,现在“神经回路”成为了关键词。在日本国内,科学技术振兴机构的战略性创造研究推进事业也从平成21年开始了“神经回路的形成·动作原理的解明与控制技术的创造”(CREST、研究总括:小泽瀞司)、“脑神经回路的形成·动作与控制”(先驱、研究总括:村上富士夫)事业,很多研究得到支持,有关神经回路的研究的势头高涨。

现代的神经回路研究在20世纪80年代以前进行的古典神经回路解析的知识、手法的基础上,吸收分子神经生物学发展的成果向新的方向变化。与古典神经回路研究以脱离大脑的领域间的神经结合的构造和机能的分析为主体不同,现代的神经回路研究分为以下几种

  1. 采用了对各个神经细胞种的形态·电气生理学式特有的精致分析和多光子电子显微镜等先进技术的局部神经回路的研究

  2. 利用先进的分子遗传学的工具,通过对神经回路的特定要素的活动和机能进行时空特别的控制手法,搞清楚特定神经回路机能和行动的关系的研究

  3. 把神经系统的特定神经回路受到损伤之后发生的机能替代机制作为学习的一个过程来看待,组合各种手法进行解析的研究

  4. 利用多重电极对大量神经细胞的活动进行记录,解读其中的信息表达的研究

这些都是都是依靠新的动物模型和计测·解析技术的发展支撑,而且实验手法的精度正飞快发展。

关于(1)特别是有关大脑皮层的局部神经回路的研究正在向前进展。尤其是过去十几年的积累,有关构成大脑皮层的兴奋性椎体细胞以外的多种抑制性的介质神经元的特征的研究取得重大进展(川口等)1),对于大脑皮层的机能调节中抑制性神经元发挥了很大作用的事实有了深刻的认识。直至今天,使用的都是,把鼠的大脑皮质切成300微米的厚度的碎片夹钳法的记录法,利用这种方法解析局部神经回路的构造和机能是研究的主流。但是,最近使用的是整个的个体,被称为旁细胞记录法,无限接近细胞体然后留置玻璃管电极,在记录细胞外的神经活动的同时,使色素从电极中流出而对记录的细胞染色的方法。还有就是使用2光子显微镜,对加载了钙指示剂的神经细胞集团的全部活动进行记录·解析的手法2)。这些方法不仅适用于麻醉动物,也适用于一部分的觉醒状态下的动物,特别适用于利用分子遗传学的手法使特定的细胞种发出荧光色素的基因改变鼠等动物。因此,对被认定了细胞种的细胞的活动和感觉信息处理时的活动进行解析成为了可能3)、4)

关于(2),比如被称为Tet-off法的手法就是,只在四环素相关物质从体内失去的时候,可逆性的发现,使向特定的神经回路的神经细胞的传达停止的破伤风毒素的手法。这种手法与基因改变的制作技术以及病毒传播媒介进行组合的手法(reversible neurotransmission blocking (RNB) technique)由中西等5)开发出来。关于连接大脑和大脑基底核的神经回路,在构造方面积累了很多知识,搞清楚了有直接路和间接路两种路径。然而它们各自有什么样的机能还不清楚。对于这个问题,中西等开发出了把直接路和间接路分别选择性地在成熟的鼠中截断的方法。在解析这些鼠的行动时,发现直接路是根据报酬进行学习的强化,而间接路与回避性判断有关。关于(2)的另一个流派是,光遗传学(optogenetics6)的手法。在藻类的膜蛋白中,用蓝光活化然后把Na+Ca2+离子加入到细胞内导致兴奋的ChR2和用黄色的光活化然后作为Cl-泵在细胞内加入Cl-离子从而抑制神经细胞的活动的NpHR,采用基因改变技术和病毒传播媒介去发现的技术。依据此技术,例如如果细胞种选择性地发现这些分子的话,就能在毫秒之间的误差中选择性地对特定的神经元进行活化或抑制。这种技术与传统的神经科学领域应用的依靠电极的电气刺激(细胞选择性的刺激是不可能的。不仅是细胞体,连通过纤维也会活化)和依靠药物的活化·不活化(扩散。时间经过缓慢)的方法相比,是一种克服了他们缺点的革命性的手法。现在世界上很多研究室都在用这种方法进行着尖端研究的较量。

3)作为康复训练的基础研究是非常重要的。笔者等的研究团队使用与人类相近的猴子,在脊髓甚至大脑皮质运动区的水平上损伤其作为随意运动控制的最终输出路径的皮质脊髓路,之后对其手指的精细运动的机能恢复过程用阳电子断层摄影装置(PET)进行解析。结果发现,例如,颈髓C5水平上损伤了皮质脊髓路的话,灵巧地抓住物体的精细的握、拿动作会暂时受到障碍。C3-C4水平上的话,由于向手筋的运动神经元传递皮质脊髓路信号的脊髓介质神经元的作用,12个月的训练后可以恢复。把这种情况的大脑皮质的活动用PET进行分析的话,恢复初期(第1个月)与两侧的一次运动区有关,但是恢复的安定期(34个月),损伤同一侧的一次运动区的活动再次减弱,本来正在使用的损伤相反一侧的一次运动区的活动领域扩大的同时,作为更高层次的中枢的运动前区则更加直接的与运动控制有关(图17)。而且,为了搞清实际上这些印象解析中发现的领域是否真的与恢复有关,而在这些领域注入一种叫做蝇蕈素的药物使其活动停止,好不容易恢复的运动再次出现了障碍,这样就证明实际上这些领域在恢复的时期发挥了作用做出了贡献。此外,根据微观阵列法进行的基因发现的网络性解析,发现大量的可塑性关联基因群在大脑皮质中使发现增加了。

另一方面,如果损伤了一次视觉区的话,相反一侧的视野也会成为“盲”的状态,视觉消失。但是被强制的话,实际上把眼睛转向“看不见”的地方的对象的话,伸过手去的动作还是能做到的。这种“视觉意识和行动的乖离”的有意思的现象作为“盲视”被大家所认识,现在非常多的研究者对此感兴趣。笔者等的研究团队使用一次视觉区一侧损伤的猴子进行各种解析,发现作为不以一次视觉区为媒介的视觉系统,在鸟类以下的动物中,作为视觉传导路径发挥重要作用的是中脑的“上丘”8)。这些研究对于由大脑皮质的损伤导致的视觉障碍的患者的康复训练也是非常重要的研究。

关于(3),近几年采用多重电极对由100-200频度这样的很多电极记录下的信息进行记录和分析的技术正在进展。有名的事例就是,从猴子的一次运动区的很多神经细胞的活动到手腕的运动的轨迹进行读取(解码),去制作能操纵机器人的手腕的技术(Nicolelis等)9)。这一技术作为BMI脊髓损伤等患者的福音受到关注。另一方面,用很多针电极刺入脑中在具有侵袭性的同时,在记录的长期稳定性方面也存在很多问题。对此,最近受到关注的技术是一种脑的表面的皮质脑波(electrocorticogram=ECoG)的技术,一种从中得到更多的信息的技术。当然ECoG相对来说侵袭性低,稳定性高,但信息的精度有问题。然而,根据周波数的不同解析信号的力量的手法和sparse regression法等解码技术的发展,使得从ECoG获得大量信息成为了可能。日本国内的文部科学省的脑科学研究战略推进项目课题ABMI的开发”中,以依靠ECoG的高机能BMI开发为旗帜推进研究,为了减轻难治性疼痛患者的疼痛而利用留置的ECoG电极驱动机器人假手的研究已经获得了成功10)

今后的展望

1)(2)以主要使用了鼠的研究为主轴,(3)(4)则主要使用了猴子和人。但是,在(1)(2)的研究中培养的精练的分子遗传学手法如果能适用于灵长类的话,就可以期待高层次的脑机能的理解及精神神经病患的理解和治疗方法的开发的革命性进展。因此,文部科学省的脑科学研究战略推进项目课题C高独创性的模型动物的开发”中,正在进行调节灵长类大脑中的基因发现的技术的开发。欧美的研究在向以鼠为中心的研究转化的过程中,这种动向就成了日本独有的东西。一个是把基因改变技术适用于狨。2009年已经有了发现GFP的稳定的基因改变狨的制作技术成功的报道11)。在此之上,对脑科学研究有广泛适用性的狨线和神经病患的模型狨的制作走上了轨道。此外,把病毒传播媒介导入到灵长类体内,进行神经回路特异性的基因发现操作技术和把optogenetics技法导入灵长类的研究。在鼠实验中顺利进行的传播媒介在猴子的试验中经常不能原样使用等等问题,当时面临严重的问题。但是,现在这些研究也都步入轨道,我们期待日本发生的革新性的研究范式能够传播出去。

(图的说明)

(左)猴子的皮质脊髓路在颈髓C5水平上损伤后约第二周的手指运动和三个月后的运动。精细的握、拿运动得到显著恢复。(右)在这一过程中,根据精细的握、拿运动的进行中的PET来看脑活动的计测中比损伤前活动增加的部位。上:康复初期(第一个月)。两侧的一次运动区的活动亢奋。下:康复安定期(第三个月)。损伤相对的一侧的运动区活动增加的同时,两侧的运动前区。而且,能够观察到侧坐核活动的增加。

 

 

参考文献

  1. Kawaguchi Y, Kubota Y (1997) Cereb Cortex 7: 476-486.

  2. Ohki K et al. (2005) Nature 433: 597-603.

  3. Isomura Y et al. (2009) Nat Neurosci 12: 1586-1593.

  4. Kameyama K et al. (2010) J Neurosci 30: 1551-1559.

  5. Hikida T et al. (2010) Neuron 66: 896-907.

  6. Zhang F et al. (2007) Nat Rev Neurosci 8: 577-581.

  7. Nishimura Y et al. (2007) Science 318: 1150-1155.

  8. Isa T, Yoshida M (2009) Curr Opin Neurobiol 19: 618-614.

  9. Wessberg J et al. (2000) Nature 408: 361-365.

  10. Yanagisawa T et al. (2009) Neuroimage 45: 1099-1106.

  11. Sasaki E et al. (2009) Nature 459: 523-527.

 

 

伊佐正

自然科学研究机构生理学研究所教授

1985年东京大学医学部医学科毕业

1988-1990年瑞典王国哥德堡大学客座研究员

1989年东京大学研究生院医学研究科博士课程修了(医学博士)

1989-1993年东京大学医学部助手(附属脑研究设施)

1993-1995年群马大学医学部讲师后为副教授

1996年冈崎国立共同研究机构生理学研究所教授

2004年改组后成为自然科学研究机构生理学研究所教授、至今

2006年获脑科学财团塚原仲晃纪念奖

2002年成为文部科学省NBRP日本猴”代表研究者

2008年起成为文部科学省脑科学研究战略推荐项目课题C高独创性的模型动物的开发”据点负责人

2009年第32届日本神经科学大会会长

日本神经科学学会庶务理事

专业:运动控制的中枢神经机制、神经回路损伤后的机能替代机制

学术杂志编辑:Curernt Opinion in Neurobiology, Acta Physiologica,

Neurosceince Research, Journal of Physiological Sciences

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